DE10029036C1 - Verfahren zur Erhöhung der Trenchkapazität - Google Patents
Verfahren zur Erhöhung der TrenchkapazitätInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Trenchkapazität bei Deep Trench Kondensatoren, bei dem beim Standardverfahren nach der Ätzung des Arsenglases zusätzlich eine nasschemische Ätzung vorgenommen wird, wobei das durch das Austreiben des Arsenglases entstandene n·+· dotierte Substrat im Trench selektiv sowohl zum niedrig dotierten Substrat als auch zur Oxid- und zur Nitridschicht um etwa 20 nm aufgeweitet wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der
Trenchkapazität bei Deep Trench Kondensatoren als Spei
cherelemente in Halbleiterbauelementen, mit einer in die Tie
fe des Wafers reichenden flaschenförmigen Aufweitung, wobei
sich auf dem Siliziumsubstrat eine Oxidschicht und auf dieser
eine Nitridschicht befinden und in denen durch vorgelagerte
fotolithografische Schritte eine Hard Maske ausgebildet ist,
deren Öffnungen die Position des auszubildenden Trenches be
stimmen, wobei das Silizium anschließend bis in eine Tiefe
von 8 µm geätzt wird, um einen Trench auszubilden und nach
folgend eine konforme Arsenglas-Abscheidung im Trench vorge
nommen wird und anschließend die Schritte des Füllens des
Trenches mit Fotolack, des Ätzens des Fotolackes bis in eine
Tiefe von 2 µm, des Ätzens des Arsenglases selektiv zum Foto
lack, des Veraschens des verbliebenen Fotolackes im Trench,
des Austreibens des Arsens aus dem Arsenglas in das umgebende
Substrat, so dass ein n+ dotiertes Substrat entsteht, sowie
der Ätzung des Arsenglases und der Abscheidung des Nodedie
lektrikums im Trench und des Abscheidens des n+ Poly-
Siliziums, ausgeführt werden.
Speicherelemente werden üblicherweise als Kondensatoren aus
geführt, mit denen es möglich ist, besonders geringe Struk
turgrößen zu realisieren. Solche Kondensatoren müssen jedoch
verschiedene Anforderungen erfüllen. Dies sind neben einer
ausreichenden Kapazität insbesondere auch die Fähigkeit der
Langzeitspeicherung der Informationen, d. h die Retention Time
soll möglichst groß sein. Es muß also sichergestellt sein,
dass möglichst keine oder geringe Leckströme zu benachbarten
Halbleiterstrukturen fließen. Aus neueren Veröffentlichungen
ist bekannt geworden, solche Speicherzellen als Deep Trench
Kondensatoren auszuführen. Derartige Kondensatoren besitzen
eine relativ geringe Kapazität, die mit weiter sinkender
Strukturbreite ebenfalls reduziert wird. Die geringere Kapa
zität verschärft jedoch die bereits genannten Probleme, indem
insbesondere die Retention Time, d. h. die Ladungserhaltungs
zeit, geringer wird.
Es hat sich jedoch bei der DRAM Entwicklung gezeigt, dass je
de Strukturverkleinerung (Shrink) auch zu einer Verschlechte
rung der Rention Time führt. Die Anforderungen an das Produkt
bleiben jedoch gleich. Die bisher einzige praktisch angewand
te Möglichkeit zur Lösung dieses Problems besteht darin, die
Trenchkapazität zu erhöhen. Hierzu wurde von der Möglichkeit
der Verwendung eines dünneren Nodedielektrikums Gebrauch ge
macht. Allerdings zeigen sich hier deutliche Grenzen, die
durch den Leckstrom durch das Dielektrikum limitiert werden.
Bessere Ergebnisse sind erreichbar, wenn derartige Deep
Trench Kondensatoren mit einer in die Tiefe des Wafers rei
chenden flaschenförmigen Aufweitung versehen werden. Dadurch
wird eine deutliche Vergrößerung der Kondensatorfläche und
somit eine Erhöhung der Kapazität erreicht. Allerdings ist
die Realisierung einer derartigen flaschenförmigen Aufweitung
relativ kompliziert, zumal gleichzeitig sichergestellt werden
muß, dass zu benachbarten Speicherzellen keine Kurzschlüsse
entstehen können, bzw. dass die Isolation zu benachbarten
Strukturen noch ausreichend ist, um die Leckströme in Grenzen
zu halten.
Die Herstellung derartiger Bottle Deep Trench Kondensatoren
kann entweder durch Trocken- oder Naßätzprozesse mit nachfolgendem
Auffüllen der geätzten Vertiefung und Aufweitung mit
einem Nodedielektrikum erfolgen.
Ein Beispiel eines solchen Kondensators geht aus der US 58 91 807
hervor. Hierbei wird zunächst eine Ätzmaske durch Belich
ten und Entwickeln eines Resists erzeugt, deren Struktur an
schließend durch Trockenätzen, wie reaktives Ionenätzen,
Plasmaätzen usw., in eine TEOS und eine darunterliegende Ni
tridschicht übertragen wird, wodurch eine Hard-Maske ent
steht. Anschließend wird der flaschenförmige Trench durch
anisotropes reaktives Ionenätzen in zwei Schritten herge
stellt. D. h. zunächst wird ein oberer Bereich mit einer
leicht abgeschrägten Wandung und im zweiten Schritt die fla
schenförmige Aufweitung in die Tiefe realisiert. Dabei werden
für beide Ätzschritte durch reaktives Ionenätzen unter
schiedliche Rezepturen bzw. Ätzparameter eingesetzt. Bei
spielsweise kann der zweite Ätzschritt mit den gleichen Ätz
gasen, aber anderer Oberflächentemperatur des Wafers oder
Verringerung des Druckes innerhalb der Ätzkammer ausgeführt
werden.
Problematisch ist in jedem Fall die genaue Parameterbestim
mung und insbesondere die Festlegung von Ätzstopparametern,
um das Überschreiten der vorgegebenen Ätztiefen sicherzustel
len. Auch ist es schwierig, den Zeitpunkt zu bestimmen wann
die flaschenförmige Aufweitung beendet werden muß.
Wenn der zweite Ätzschritt zu früh gestoppt wird, wird keine
ausreichende Kapazitätsvergrößerung erreicht. Wird der zweite
Ätzschritt zu spät gestoppt, besteht die Gefahr, dass zu be
nachbarten Trenches oder aktiven Gebieten keine ausreichende
Isolation mehr vorhanden ist, so dass mit einer Vergrößerung
der Leckströme gerechnet werden muß.
Außerdem hat sich gezeigt, dass bei der Anwendung von Troc
kenätzprozessen mit einem erhöhten Ausfall einzelner Spei
cherzellen gerechnet werden muß.
Der übliche Standardprozeß zur Herstellung eines Deep-Trench-
Kondensators umfaßt nach der Herstellung der Hard-Maske die
Arbeitsschritte, dass das Silizium bis in eine Tiefe von 8 µm
geätzt wird, um einen Trench auszubilden und nachfolgend eine
konforme Arsenglas-Abscheidung im Trench vorgenommen wird.
Anschließend wird der Trench mit Fotolack gefüllt und der Fo
tolack bis in eine Tiefe von 2 µm geätzt. Das Arsenglases wird
anschließend selektiv zum Fotolack geätzt und der verbliebe
nen Fotolackes im Trench Verascht. Zur Erzeugung eines n+
dotierten Substrates wird das Arsen aus dem Arsenglas in das
umgebende Substrat ausgetrieben und das Arsenglas im Trench
durch Ätzen entfernt. Zum Schluß wird der Deep-Trench-
Kondensator durch Abscheidung des Nodedielektrikums im Trench
und des Abscheidens des n+ Poly-Siliziums fertiggestellt.
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfah
ren zur Erhöhung der Trenchkapazität zu schaffen, welches si
cher zu handhaben ist und mit dem mit geringem Aufwand eine
Erhöhung der Trenchkapazität um wenigstens 15-20% erreicht
werden kann.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung wird bei
einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst,
dass nach der Ätzung des Arsenglases eine nasschemische Ät
zung vorgenommen wird, wobei das durch das Austreiben des Ar
senglases entstandene n+ dotierte Substrat selektiv sowohl
zum niedrig dotierten Substrat als auch zur Oxid- und zur Ni
tridschicht um etwa 20 nm aufgeweitet wird.
Mit diesem Verfahren wird einerseits eine wesentlich erhöhte
Verfahrenssicherheit erreicht, da durch das selektive Ätzen
des n+ hochdotierten Bereiches Kurzschlüsse (Shorts) zu be
nachbarten aktiven Bereichen oder Transistoren sicher vermie
den werden und dass andererseits durch das einfach zu reali
sierende Verfahren eine deutliche Erhöhung der Trenchkapazi
tät um 15-20% erreicht wird.
Vorzugsweise wird für das nasschemische Ätzen eine Polysili
ziumätze verwendet, die aus einer Mischung aus konzentrierter
Salpetersäure und konzentrierter Flußsäure besteht.
Zur weiteren Verbesserung der Selektivität kann der Polysili
ziumätze Phosphorsäure und/oder Essigsäure beigemischt wer
den.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel
mit den wesentlichsten Verfahrenssschritten näher erläutert
werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein mit einer Hard-Maske versehenes Si-Substrat
Fig. 2 den Trench nach Fig. 1 nach Erreichen der vollständi
gen Ätztiefe, mit einem im Si-Substrat ausgebildeten
n+ hochdotierten Bereich; und
Fig. 3 den fertiggestellten Trenchkondensator mit flaschen
förmiger Aufweitung.
Aus Fig. 1 ist ein Si-Substrat 1 ersichtlich, bei dem in vor
bereitenden Schritten eine Oxidschicht 2 und auf dieser eine
Nitridschicht 3 aufgebracht worden sind, in denen mittels üblicher
Fotolithografie eine sogenannte Hard Maske mit Öffnun
gen 4 erzeugt worden ist. Diese Öffnungen 4 dienen in den
noch zu beschreibenden nachfolgenden Ätzschritten als Ätzmas
ke. Darüberhinaus können auf dem Si-Substrat weitere Zwi
schenschichten, z. B. ARC-Schichten, d. h. Antireflexions
schichten, vorhanden sein.
Anschließend kann der Trench 5 bis zu einer Tiefe von ca. 8 µm
geöffnet werden, so dass dann im unteren Teil durch Diffu
sion eine Buried Plate als n+ hochdotierter Bereich 6 erzeugt
werden kann (Fig. 2). Die Buried Plate 6 kann im Si-Substrat
1 eine Tiefe von 2 µm erreichen.
In einem weiteren Ätzschritt, der jetzt als Nassätzschritt
auszuführen ist, kann nun selektiv zur Oxidschicht 2 und zur
Nitridschicht 3 in den n+ hochdotierten Bereich 6 geätzt wer
den. Hierzu ist eine Polysiliziumätze, bestehend aus einer
Mischung aus konzentrierter Salpetersäure und konzentrierter
Flußsäure, geeignet. Eine weitere Verbesserung der Selektivi
tät wird erreicht, wenn der Polysiliziumätze Phosphorsäure
und/oder Essigsäure beigemischt wird.
Mit diesem Nassätzschritt wird im unteren Bereich des Tren
ches 5 eine flaschenförmige Aufweitung 7 um ca. 20 nm er
reicht. Dies führt zu der gewünschten Vergrößerung der Kapa
zität des Trenchkondensators um 15 . . . 20%.
Nach der Ausbildung der flaschenförmigen Aufweitung 7 wird
der Trenchkondensator fertiggestellt indem zunächst ein Node
dielektrikum 8 abgeschieden wird, wonach dann der Trench 5
mit einem n+ Poly-Silizium 9 aufgefüllt wird.
1
Si-Substrat
2
Oxidschicht
3
Nitridschicht
4
Öffnung
5
Trench
6
n+
hochdotierter Bereich
7
flaschenförmige Aufweitung
8
Nodedielektrikum
9
n+
dotiertes Poly-Silizium
Claims (4)
1. Verfahren zur Erhöhung der Trenchkapazität bei Deep
Trench Kondensatoren als Speicherelemente in Halbleiter
bauelementen, mit einer in die Tiefe des Wafers reichen
den flaschenförmigen Aufweitung, wobei sich auf dem Sili
ziumsubstrat eine Oxidschicht und auf dieser eine Nitrid
schicht befinden und in denen durch vorgelagerte fotoli
thografische Schritte eine Hard Maske ausgebildet ist,
deren Öffnungen die Position des auszubildenden Trenches
bestimmen, wobei das Silizium anschließend bis in eine
Tiefe von 8 µm geätzt wird, um einen Trench auszubilden
und nachfolgend eine konforme Arsenglas-Abscheidung im
Trench vorgenommen wird und anschließend die Schritte des
Füllens des Trenches mit Fotolack, des Ätzens des Foto
lackes bis in eine Tiefe von 2 µm, des Ätzens des Ar
senglases selektiv zum Fotolack, des Veraschens des ver
bliebenen Fotolackes im Trench, des Austreibens des Ar
sens aus dem Arsenglas in das umgebende Substrat, so dass
ein n+ dotiertes Substrat entsteht, sowie der Ätzung des
Arsenglases und der Abscheidung des Nodedielektrikums im
Trench und des Abscheidens des n+ Poly-Siliziums ausge
führt werden, dadurch gekennzeichnet,
dass nach der Ätzung des Arsenglases eine nasschemische
Ätzung vorgenommen wird, wobei das durch das Austreiben
des Arsenglases entstandene n+ dotierte Substrat selektiv
sowohl zum niedrig dotierten Substrat als auch zur Oxid-
und zur Nitridschicht um etwa 20 nm aufgeweitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, dass das nasschemische Ätzen mit einer
Polysiliziumätze durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Polysiliziumätze aus einer Mi
schung aus konzentrierter Salpetersäure und konzentrier
ter Flußsäure besteht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3, da
durch gekennzeichnet, dass der Polysi
liziumätze Phosphorsäure und/oder Essigsäure beigemischt
wird.
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